城市高架橋荷載實(shí)驗(yàn)研究

宜昌超越路橋有限公司 鄧宗昌

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，越來(lái)越多的城市修建了高架橋，城市交通網(wǎng)得到了進(jìn)一步完善，這對(duì)于城市的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。為了使高架橋能安全地為公路運(yùn)輸服務(wù)，必須對(duì)新建橋梁進(jìn)行鑒定。本文，筆者以某城市新建高架橋?yàn)槔?，?duì)其進(jìn)行荷載試驗(yàn)研究，以檢驗(yàn)橋梁的施工質(zhì)量、承載力和實(shí)際工作狀態(tài)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為竣工驗(yàn)收和安全運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)，以保證橋梁營(yíng)運(yùn)的可靠性；同時(shí)還可以為高架橋設(shè)計(jì)積累科學(xué)資料，為橋梁養(yǎng)護(hù)、維修提供參考資料。

一、工程概況

該橋梁工程規(guī)劃為城市快速路，全線采用高架加地面輔道形式。橋梁工程包含主線及上下橋匝道兩部分，主線全長(zhǎng)7.5 km，其中高架橋長(zhǎng)6.9 km，高架引道長(zhǎng)0.5 km，上下橋匝道全長(zhǎng)1.8 km。全線高架橋標(biāo)準(zhǔn)截面均為雙向6車道，橋?qū)?8 m，主線為鋼箱梁，荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。

二、 橋梁檢測(cè)內(nèi)容及結(jié)果分析

1.橋梁恒載線形檢測(cè)。為了解橋梁結(jié)構(gòu)線形與設(shè)計(jì)線形是否吻合，以保證橋梁的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，需對(duì)橋梁總體線形進(jìn)行測(cè)量。利用已有的橋位施工控制網(wǎng)，采用精密電子水準(zhǔn)儀對(duì)主梁縱向標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置在主梁橋面墩頂截面、L/2、L/4及L3/4（L為主梁橋長(zhǎng)度）截面處，共設(shè)37個(gè)測(cè)點(diǎn)。為消除溫度對(duì)于線形的影響，測(cè)量應(yīng)選擇能見度好，氣溫較低且穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行。

2.靜載試驗(yàn)。

（1）靜載試驗(yàn)內(nèi)容。橋梁靜載試驗(yàn)是通過(guò)測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下各控制截面的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形，從而確定橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符，是檢驗(yàn)橋梁性能及工作狀態(tài)最直接、最有效的方法。

為了解結(jié)構(gòu)應(yīng)變或變位隨加載內(nèi)力增加的變化情況，防止結(jié)構(gòu)意外損壞，試驗(yàn)決定采用逐級(jí)加載的方式進(jìn)行，根據(jù)橋梁的實(shí)際情況，加載分2 ～ 3級(jí)進(jìn)行，試驗(yàn)中對(duì)加載的控制采用逐漸增加加載車輛的方式。試驗(yàn)采用三軸載重汽車加載，汽車荷載的選用遵循兩條原則，一是使各控制截面加載效率系數(shù)滿足靜力試驗(yàn)荷載效率的要求；二是在滿足試驗(yàn)要求的條件下，盡可能減少加載用車數(shù)量。主線縱向試驗(yàn)分析采用單車重300 kN的車輛加載；主線橫向試驗(yàn)分析采用單車重340 kN的車輛加載。

試驗(yàn)中所需要的加載車輛數(shù)及加載位置根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載（公路Ⅰ級(jí)）產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值按等效原則換算而得。靜載試驗(yàn)荷載一方面應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的安全性，另一方面應(yīng)能充分暴露結(jié)構(gòu)的承載能力，通常有

式（1）中，ηq為靜載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)，Sstate為試驗(yàn)荷載作用下檢測(cè)部位荷載效應(yīng)的計(jì)算值，S為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下檢測(cè)部位荷載效應(yīng)的計(jì)算值，δ為設(shè)計(jì)取用的動(dòng)力系數(shù)。需要注意的是ηq取值有一定的限制，通常為0.85～1.05。

首先將試驗(yàn)加載車過(guò)地磅稱重后，在不影響試驗(yàn)橋跨的位置錯(cuò)開停放。正式加載前，用4輛加載車輛并排緩慢地來(lái)回兩次對(duì)全橋進(jìn)行預(yù)壓，然后非工作人員退場(chǎng)，待一切工作安排就緒后，將各試驗(yàn)量測(cè)儀表讀數(shù)調(diào)零，進(jìn)行第一次空載讀數(shù)（應(yīng)變和撓度），同時(shí)記錄該時(shí)刻的氣溫。正式實(shí)施試驗(yàn)加載時(shí)，試驗(yàn)加載車按試驗(yàn)方案分級(jí)加載。每級(jí)試驗(yàn)加載車駛?cè)胫付ǖ膮^(qū)域就位后，穩(wěn)定15 min后記錄加載后的第1次讀數(shù)，間隔10 min后再記錄加載的第2次讀數(shù)，當(dāng)兩次讀數(shù)差均小于前次讀數(shù)增量的10%時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)變形已趨穩(wěn)定，此時(shí)所記錄的數(shù)據(jù)為試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄該時(shí)刻的氣溫。每個(gè)工況試驗(yàn)的載位滿載完成后進(jìn)行一次卸載，穩(wěn)定20 min后觀測(cè)數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄殘余應(yīng)變和撓度，并記錄該時(shí)刻的氣溫。

需要注意的是，在試驗(yàn)加載過(guò)程中，應(yīng)確保橋梁的安全，防止試驗(yàn)荷載對(duì)橋梁造成損傷。當(dāng)控制測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值已達(dá)到或超過(guò)理論計(jì)算的控制應(yīng)變值或控制測(cè)點(diǎn)變位（或撓度）超過(guò)規(guī)范允許值時(shí)，應(yīng)終止加載試驗(yàn)。

（2）靜載試驗(yàn)結(jié)果分析。根據(jù)測(cè)點(diǎn)理論應(yīng)力計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的理論應(yīng)變，鋼材彈性模量Eg計(jì)算時(shí)取200×103MPa。通過(guò)實(shí)測(cè)應(yīng)變和理論計(jì)算值的比較，分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的相對(duì)殘余應(yīng)變和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)，以評(píng)定結(jié)構(gòu)的工作狀況，確定橋梁的承載能力。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，主線鋼箱梁的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.704 ～0.927，平均應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.800，滿足檢測(cè)規(guī)程要求，說(shuō)明設(shè)計(jì)豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全儲(chǔ)備充分，滿足設(shè)計(jì)使用要求；主線鋼箱梁的最大撓度為17.02 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.736～ 0.954，平均撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.882，滿足規(guī)范要求，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求；主線鋼箱梁平均殘余應(yīng)變?yōu)?.3%，平均殘余變位為8.7%，遠(yuǎn)小于控制值19%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的彈性工作性能較好，具有良好的彈性恢復(fù)能力。

3.動(dòng)載試驗(yàn)。橋梁動(dòng)載測(cè)試就是利用車輛荷載或環(huán)境激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，然后測(cè)定橋梁振動(dòng)的固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)、行車響應(yīng)等參量，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和行車性能。通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)分別測(cè)取以下各動(dòng)力參數(shù)和響應(yīng)值，并和理論計(jì)算值進(jìn)行比較，以確定橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性（阻尼、自振頻率）、動(dòng)載作用下（行車和跳車）橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)和動(dòng)力響應(yīng)值（振幅、沖擊系數(shù)等）是否異常、是否滿足規(guī)范要求。

（1）動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目。

①脈動(dòng)試驗(yàn)。主要是使用高靈敏度的傳感器和放大器，測(cè)量外界因素所引起的橋梁微小且不規(guī)則的振動(dòng)，然后進(jìn)行譜分析，最終得到橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率。

②跑車試驗(yàn)。用1輛300 kN的試驗(yàn)加載車分別以20，30，40和50 km/h的速度往返勻速通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，以測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)。

③跳車試驗(yàn)。在橋跨跨中橋面設(shè)置高10 cm左右的三角形墊木，將300 kN試驗(yàn)加載車后軸置于其上，然后突然下落，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)。

④制動(dòng)試驗(yàn)采用1輛300 kN試驗(yàn)加載車以20 km/h的行駛速度在跨中緊急剎車使橋梁產(chǎn)生受迫振動(dòng)，測(cè)試橋梁的振動(dòng)響應(yīng)。

（2）動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，主線基頻實(shí)測(cè)值為2.30 Hz（大于理論值2.20 Hz），說(shuō)明其實(shí)際剛度大于理論計(jì)算剛度；依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ D60-2004），實(shí)測(cè)主橋行車、跳車及剎車試驗(yàn)的各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)與以往同類橋梁相差不大，車輛行駛狀況較好。剎車工況與跳車工況實(shí)測(cè)值與同類型橋梁實(shí)測(cè)值相當(dāng)，在正常范圍內(nèi)；主線的阻尼比為0.7%～4.1%，也在正常范圍之內(nèi)。

三、 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該橋梁工程主線鋼箱梁進(jìn)行恒載線形檢測(cè)和荷載試驗(yàn)，測(cè)試了橋梁結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的應(yīng)力、撓度以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，主要結(jié)論如下。

1.主線鋼箱梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)滿足檢測(cè)規(guī)程要求，說(shuō)明設(shè)計(jì)豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全儲(chǔ)備充分，滿足設(shè)計(jì)使用要求；主線鋼箱梁撓度校驗(yàn)系數(shù)滿足規(guī)范要求，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求；橋梁結(jié)構(gòu)的相對(duì)殘余變形遠(yuǎn)小于控制值的20%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的彈性工作性能較好，具有良好的彈性恢復(fù)能力；實(shí)測(cè)主線鋼箱梁的脈動(dòng)一階自振頻率較理論值高，各項(xiàng)動(dòng)力指標(biāo)正常。

2.試驗(yàn)僅反映試驗(yàn)荷載作用下橋梁的結(jié)構(gòu)性能；在交通流量和環(huán)境等外在不確定因素以及內(nèi)在的橋梁本生材料的老化等因數(shù)的長(zhǎng)期作用都會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期有效的觀測(cè)。